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Synchronisiertes Getriebe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein synchronisiertes Getriebe gemäß
dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Bei solchen Getrieben ist man bestrebt, den Schaltvorgang möglichst
schnell durchzuführen, ohne aber die an der Synchronisation beteiligten Elemente
übermäßig zu belasten.
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Die Kraft, mit der die Synchronisationseinrichtung eines derartigen
Getriebes im Idealfall betätigt werden sollte, muß sehr genau wegabhängig gesteuert
werden. Die Betätigung, ausgehend von der ausgekuppelten
Neutralstellung,
muß zunächst mit einer relativ kleinen Kraft beginnen, bis sich der Synchronring
in seine Sperrposition begeben hat. Während der Synchronisationsphase, in der der
Synchronring und das zugehörige Zahnrad ihre Drehzahlen aneinander angleichen, ist
eine hohe Kraft erforderlich. In der darauffolgenden Einschiebe- oder Koppelphase
ist wiederum nur eine kleine Kraft erforderlich.
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Der ideale Geschwindigkeitsverlauf der Schaltelemente der Sychronisationseinrichtung
kann etwa wie folgt dargestellt werden. Die Schaltelemente sollten sich, ausgehend
von der ausgekuppelten Neutralstellung, zunächst mit relativ kleiner Geschwindigkeit
bewegen, die bis zu dem Punkt, an dem sich der Sychronring in Sperrposition begibt,
bis auf nahe Null absinken sollte.
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Die Geschwindigkeit der Schaltbewegung sollte dann solange bei annähernd
Null bleiben, bis die Synchronisationsphase beendet ist. Danach kann sie wieder
hoch werden, sie sollte aber am Schluß der Synchronisierung, wenn der Endanschlag
erreicht wird, wieder auf annähernd Null abgefallen sein, um ein hartes Anschlagen
der Bauelemente zu vermeiden.
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Dieser Verlauf läßt sich zwar grundsätzlich auch mit hydraulischen
Betätigungs- bzw. Steuerelementen erzielen, der Aufwand würde aber sehr hoch sein.
Hydrat~ lische oder elektromagnetisch - hydraulische Steuerelemente haben weiterhin
den Nachteil, daß sie störanfällig sein können und außerdem die Umschaltvorgänge
totzeitbehaftet sind. Außerdem ergeben sich allein schon aus der temperaturabhängigen
Viskosität der Hydraulikflüssigkeit Schaltzeitveränderungen.
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Bei fremd- oder hilfskraftbetätigten Getrieben wurde aus diesem Grund
häufig Druckluft zur Betätigung der
Schaltelemente verwendet. Dies
stellt in bezug auf Aufwand und Zuverlässigkeit die günstigste Lösung dar.
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Als nachteilig hat sich allerdings die Kompressibilität und die zu
geringe Dämpfwirkung bei den erforderlichen schnellen Geschwindigkeitsänderungen
der Schaltelemente herausgestellt. Die Verhältnisse sind um so ungünstiger, Je größer
die Massen der bewegten Schaltelemente sind.
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Wird beispielsweise die bei Synchrongetrieben übliche Schiebemuffe,
die in ihren Endstellungen mittels eines federbelasteten angespitzten Bolzens in
einer Kerbe gerastet ist, mit Druckluft mittels eines Zylinders betätigt, dann wird
sich in den Toträumen des Zylinders solange ein Druck und damit eine potentielle
Energie aufbauen, bis die Rastkraft und die Haftreibung der Schiebemuffe überwunden
sind. Diese potentielle Energie wird sich während der weiteren Bewegung der Schiebemuffe,
da nun kaum noch Gegenkraft vorhanden ist, in kinetische Energie umwandeln und die
Schiebemuffe stark beschleunigen. Die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Schiebemuffe
wird in der Folge auf die Anschläge der Sperreinrichtung der Synchronisation treffen
und sie, da diese die Energie nicht voll aufnehmen kann, durchbrechen. Dies führt
zum Ratschen und letztlich zur Zerstörung der Synchronisations-Einrichtung.
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Ganz ähnliche negative Erscheinungen treten auf, wenn die Schiebemuffe
die Synchronisationsphase, in der eine hohe Betätigungskraft erforderlich ist, verläßt
und in einen Wegbereich gelangt, in dem nur eine sehr kleine Gegenkraft vorhanden
ist. Auch hierbei verwandelt sich die in der Druckluft gespeicherte potentielle
Energie in kinetische Energie und die Schiebemuffe prallt mit sehr großer Wucht
gegen ihren Endanschlag.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenge-
nannten
Nachteile eines mit pneumatischer Hilfskraft betätigten Getriebes zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 enthaltene Erfindung
auf störsichere und preisgünstige Weise gelöst.
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Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein besonderer Vorteil dieser Einrichtung ergibt sich dadurch, daß
mit höheren Drücken und kürzeren Druckaufbauzeiten im Betätigungsyzlinder gefahren
werden kann, da durch eine entsprechend genau angepaßte Gestaltung der Drosselkanten
der Dämpfeinrichtung in Wegbereichen, wo eine Überlastung der Bauteile eintreten
würde, ein bestimmter Anteil der Betätigungskraft von der Dämpfeinrichtung aufgenommen
wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in-der Zeichnung dargestellt
und nachfolgend beschrieben.
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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine hydraulische Dämpfeinrichtung
in Verbindung mit einer vereinfacht dargestellten Synchronisiereinrichtung für einen
Zahnradsatz sowie eine Fremd- oder Hilfsbetätigung.
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Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem über den Weg eines Synchronringes
der Kraft- und Geschwindigkeits-Verlauf der Synchronisierung aufgetragen ist.
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Die Fremd- oder Hilfskraftbetätigung 7 ist als ein beidseitig druckbeaufschlagbarer
Dreistellungszylinder ausgebildet, dessen Kammern über Anschlüsse 43 und 44
mit
einer nicht dargestellten Druckquelle verbunden werden können. Ein mechanisch mit
einer Schaltwelle 8 verbundener Kolben 45 dreht die Schaltwelle 8 bei Druckbeaufschlagung
in die jeweilige Richtung bzw.
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Stellung Über einen Hebel 3, der in eine Schiebemuffe 4 der Synchronisier-Einrichtung
1 eingreift, ist diese mit der Schaltwelle 8 verbunden. Die Schiebemuffe 4 kann
von der Schaltwelle 8 nach links oder rechts verschoben werden und geht dann am
Zahnrad wieder 6 auf Anschlag.
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Damit ist dann das jeweilige Zahnrad über die Schiebemuffe 4 und einen
Zwischenkörper 42 mit einer Getriebehauptwelle 41 verbunden. Die Synchronisiereinrichtung
1 ist vereinfacht dargestellt. Es handelt sich um eine allgemein übliche Sperrsynchronisation,
die eine Kuppelung der Schiebemuffe 4 mit einem der Zahnräder 5 oder 6 erst dann
zuläßt, wenn sich die Drehzahlen des jeweiligen Zahnrades und der Getriebehauptwelle
angeglichen haben.
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Die mit einem flüssigen Druckmedium, vorzugsweise Getriebeöl, gefüllte
Dämpfeinrichtung 9 ist mit der Synchronisiereinrichtung 1 eines Fahrzeuggetriebes
über die Schaltwelle 8 verbunden. Ein Rotor 11 überträgt die wechselseitige Drehbewegung
der Schaltwelle 8 auf einen eng in eine Bohrung 16 eingepaßten Kolben 12 und verschiebt
diesen axial. Eine Drehung des Kolbens 12 wird durch eine Führung einer Paßschraube
13 in einer Nut 14 verhindert.
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An dem Kolben 12 sind zwei Abflachungen 39,40 angebracht, die von
den Stirnseiten des Kolbens 12 in Steuerfasen 19, 20 auslaufen. Weiterhin sind in
dem Kolben 12 zwei Blenden 21,22 integriert, welche
Dämpfungsräume
23,24 mit einem drucklosen Gehäuseraum 15 verbinden. Die Blendenlänge entspricht
etwa dem Blendendurchmesser, wodurch die Viskositätsabhängigkeit der Dämpfung gering
gehalten wird. Zwei federbelastete Rückschlagventile 35,36 im Kolben 12 öffnen,
wenn der Druck in den Dämpfungsräumen 23,24 geringer ist als der Druck im Raum 15,
während bei Überdruck in den Dämpfungsräumen 23,24 die Rückschlagventile 35,36 auf
ihren Dichtsitz gepreßt werden und den Rückfluß sperren.
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Für die Wirksamkeit der Dämpfeinrichtung 9 ist es erforderlich, daß
der Kolben 12 etwa waagerecht liegt und vollkommen mit dem Druckmedium bedeckt ist.
Der Kolben 12 ist weiterhin so ausgebildet, daß sich die Dämpfungsräume 23,24 über
die Abflachungen 39,40 selbst entlüften können. Die Länge des Kolbens 12 ist so
bemessen, daß eine beidseitige Führung in der Bohrung 16 immer gewährleistet ist.
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In der dargestellten Position befindet sich die Synchronisiereinrichtung
1 in Neutralstellung. Folglich steht der Rotor 11 mit dem Kolben 12 in der Mittelposition.
Die Dämpfeinrichtung 9 ist so ausgelegt, daß bei Bewegung des Kolbens 12 aus der
Mittelposition heraus in die Richtung der Pfeile 37,38 die Dämpfung sofort wirksam
wird.
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Soll ein Gang aus der Neutralstellung mit der Hilfs-oder Fremdkraftbetätigung
7 (pneumatischer Drei-Stellungs-Zylinder) eingelegt werden, wird der Rotor 11 beispielsweise
in Richtung des Pfeiles 37 gedreht und der Kolben 12 nach links geschoben. Das Medium
muß dann aus dem Dämpfungsraum 23 über die Blende 21 in den Raum 15 transportiert
werden, während der Dämpfungsraum 24 das Medium über die Öffnung zwischen der Steuerkante
18 und der Abflachung 40 aus dem Raum 15 nachsaugt. Die Ge-
schwindigkeit,
mit der der Kolben 12 nach links fährt, wird also bestimmt durch den Querschnitt
der Blende 21.
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Diese Geschwindigkeit liegt im Bereich unmittelbar vor Wirksamwerden
der Sperreinrichtung in der Synchronisation bei nahe Null.
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Die Sperreinrichtung enthält einen bei Sperrsynchronisationen allgemein
üblichen Sperring (nicht dargestellt), der mit der Schiebemuffe 4 und dem Synchronring
2 in Wirkverbindung steht. Ist die Sperreinrichtung der Synchronisation wirksam,
bewegt sich der Kolben 12 nur sehr langsam, da der Angleich der Drehzahlen der Zahnräder
5 oder 6 mit der Hauptwelle 41 Zeit erfordert.
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Die Dämpfung wird deshalb erst wieder aufgehoben, wenn die Steuerkante
33 die Gehäusesteuerkante 27 nach links überfährt. Das verdrängte Medium aus dem
Dämpfungsraum 23 fließt dabei über die Nut 14 und die gehäuseseitige Ringnut 31
drucklos in den Raum 15.
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Kurz vor dem Endanschlag der Schiebemuffe 4 am Zahnrad 5 wird die
Dämpfung wieder wirksam, wenn die Steuerfase 19 die Gehäusesteuerkante 25 überfährt.
Somit wird ein Teil der in den Massen der Betätigungsorgane gespeicherten kinetischen
Energie abgebaut und ein harter Anschlag der Teile vermieden.
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Besonders kritisch im Hinblick auf das Ratschen der Synchronisation
ist die Steuerung von einer Endposition in die andere.
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Wird die Hilfs- oder Fremdkraftbetätigung 7 so gesteuert, daß sich
eine Bewegung des Kolbens 12 aus der linken Endposition in Richtung des Pfeiles
38 ergibt, wird das Medium aus dem Dämpfungsraum 24 bis zum Erreichen der Mittelposition
ungedrosselt heraus-
fließen können, da keine Steuerkanten wirksam
sind.
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In den Dämpfungsraum 23 kann das Dämpfungsmedium über das Rückschlagventil
35 ungehindert einfließen. Somit ergibt sich zunächst eine ungedämpfte und damit
schnelle Bewegung des Kolbens 12 aus der linken Endposition in die Mittelstellung.
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Im weiteren Wegverlauf wird die Steuerfase 30 wirksam.
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Sie soll bei schnellem Lauf des Kolbens 12 eine kontinuierliche Abbremsung
der Einrückelemente bewirken und hohe Druckspitzen im Dämpfungsraut 24 vermeiden.
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Der weitere Bewegungsablauf erfolgt wie oben beschrieben bei der Bewegung
des Kolbens nach links.
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Der schon erwähnte Kraft- und Geschwindigkeits-Verlauf bei der Synchronisierung
ist in Fig. 2 schematisch über dem Weg aufgetragen. Dargestellt ist eine Schaltung
von der linken in die rechte Endposition.
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Im Zeitpunkt t1 ist die Schiebemuffe 4 mit dem Zahnrad 5 gekuppelt.
Die Verschiebung erfolgt zunächst mit kleiner Kraft, aber hoher Geschwindigkeit
bis zum Zeitpunkt t2.
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Dabei wird die Mittelstellung (Punkt sO) überfahren.
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Im Zeitpunkt t2 beginnt die Synchronisation, d.h. die Angleichung
der Drehzahlen von Hauptwelle 41 und Zahnrad 6. In diesem Bereich, der bis zum Zeitpunkt
t3 geht und etwa 0,3 sec. dauert, ist eine hohe Kraft bei kleiner Geschwindigkeit
vorgesehen.
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Im Zeitraum von t3 bis t4 erfolgt die kraftschlüssige Kupplung des
Synchron-Ringes 2 mit dem Zahnrad 6. Hier ist wieder eine hohe Geschwindigkeit bei
kleiner Kraft vorgesehen.
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Bei den Dämpfungsvorgängen wird also ein Teil der kinetischen Energie
durch Drosselung vernichtet und somit eine schädigende Wirkung auf die Einrückelemente
der Synchronisation vermieden. Trotzdem ist eine kurze Schaltzeit gewährleistet,
da die Laufgeschwindigkeiten durch entsprechende Blenden so eingerichtet wird, daß
es gerade noch keine Zerstörungen an den Bauteilen während der Lebensdauer gibt.
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Durch die Übertragung der Bewegung der Schaltwelle 8 auf den Kolben
12 über den Rotor 11 ergibt sich der Vorteil, daß dadurch eine Verwendung von speziellen
Dichtelementen für sich gegeneinander bewegende Teile vermieden wird.
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Da der Raum 15 stetsdrucklos ist, genügt eine einfache Abdichtung.
Weiterhin ist eine besonders kompakte Bauweise möglich, wenn man die Hilfs- oder
Fremdkraftbetätigung 7 mit der Dämpfeinrichtung 9 in eine Baueinheit bringt.